JP5727317B2 - 超電導コイルの電源装置 - Google Patents
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以下、本発明を実施するための形態について図面を参照しつつ説明する。本発明に係る電源装置101は、図1に示すように超電導コイル2を励磁するための電源であって、交流電源50から出力される交流電力を直流電力に変換する直流電源手段51と、スイッチング信号に基づいて直流電力を出力許可と出力禁止とにスイッチングすることにより交流状のスイッチング電力とする第1スイッチング部52及び第2スイッチング部53を直流電源手段51に並列接続したスイッチング手段56と、第1スイッチング部52及び第2スイッチング部53から出力されたスイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして超電導コイル2に出力する平滑手段55と、各第1スイッチング部52及び第2スイッチング部53に対して、所定の周波数でスイッチング信号をそれぞれ出力することにより所定の平滑化電力を形成すると共に、第2スイッチング部53に出力するスイッチング信号を第1スイッチング部52に出力するスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力するスイッチング制御手段54とを主に備えた構成をしている。以下、より詳しい構成を説明する。
図2に示すように、電源装置101は、超電導コイル2に接続されている。そして、電源装置101は、交流電源50と接続されたスイッチングレギュレータ110(直流電源手段51)と、スイッチングレギュレータ110と接続された4つのスイッチング素子21〜24からなる第1フルブリッジ回路103(第1スイッチング部52)と、同じくスイッチングレギュレータ110と接続された4つのスイッチング素子31〜34からなる第2フルブリッジ回路104(第2スイッチング部53)と、第1フルブリッジ回路103及び第2フルブリッジ回路104に対してスイッチング素子21〜24・31〜34をオン・オフするPWM信号を出力するスイッチング制御手段54と、スイッチング制御手段54と第1フルブリッジ回路103との間に接続された第1ドライバー部105と、スイッチング制御手段54と第2フルブリッジ回路104との間に接続された第2ドライバー部106と、図3に示すようにスイッチング素子21(第1スイッチング素子)とスイッチング素子22(第2スイッチング素子)との間と超電導コイル2との間に接続された第1リアクトル121と、スイッチング素子23(第3スイッチング素子)とスイッチング素子24(第4スイッチング素子)との間に接続された第2リアクトル122と、第1リアクトル121と超電導コイル2との間を一端41aとし、第2リアクトル122と超電導コイル2との間を他端41bとして接続された平滑コンデンサ41(平滑手段)と、同様にスイッチング素子31とスイッチング素子32との間と超電導コイル2との間に接続された第1リアクトル123と、スイッチング素子33とスイッチング素子34との間に接続された第2リアクトル124と、第1リアクトル123と超電導コイル2との間を一端42aとし、第2リアクトル124と超電導コイル2との間を他端42bとして接続された平滑コンデンサ42(平滑手段)と、スイッチングレギュレータ110のプラス側とマイナス側との間に接続された回生回路118(回生手段)とを具備している。
次に、本実施形態に係る電源装置101の動作について説明する。まず、超電導コイル2の励磁時の電源装置101の動作を説明した後に、超電導コイル2の消磁時の電源装置101の動作について説明する。
具体的には、図8に示すように、電源装置101は、電圧制御手段として、電圧検出部113と、絶対値化部114と、電圧制御部115とを備えた構成とする。電圧検出部113は、超電導コイル2の両端に接続して超電導コイル2の電圧を検出し、絶対値化部114に検出した値を出力可能に接続されている。絶対値化部114は、電圧検出部113で検出した電圧値を絶対値化し、電圧制御部115に絶対値化された値を出力可能に接続されている。電圧制御部115は、絶対値化部114で絶対値化された値に所定値を加算した値をスイッチングレギュレータ110に出力可能に接続されている。
また、スイッチングレギュレータ110の電圧をコントロールする電圧制御手段として、図9に示すように、記憶部117と、電圧演算器116と、目標値設定器170と、絶対値化部114と、電圧制御部115とを備えた構成とする。記憶部117は、超電導コイル2のリアクタンスの値を記憶し、必要に応じて電圧演算器116に超電導コイル2のリアクタンスの値を電圧演算器116に出力可能に接続されている。目標値設定器170は、電流増減速度が設定可能とされ、必要に応じて電圧演算器116に電流増減速度を出力可能に接続されている。電圧演算器116は、記憶部117に記憶されたリアクタンスの値に目標値設定器170で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出し、絶対値化部114に算出した電圧値を出力可能に接続されている。絶対値化部114は、電圧演算器116で算出した電圧値を絶対値化し、電圧制御部115に絶対値化した値を出力可能に接続されている。電圧制御部115は、絶対値化部114で絶対値化された値に所定値を加算した値をスイッチングレギュレータ110に出力可能に接続されている。
また、スイッチングレギュレータ110の電圧をコントロールする電圧制御手段として、図10に示すように、加算器165と、目標値設定器163と、比較回路164と、更に、参照電圧を出力する参照電圧器166と、電圧制御回路167とを備えた構成とする。加算器165は、第1PWM信号変換器107から出力された正方向のPWM信号および逆方向のPWM信号を合成してフィルタ161によって平均化した値と、第2PWM信号変換器108から出力された正方向のPWM信号および逆方向のPWM信号を合成してフィルタ162によって平均化した値とを加算した値を比較回路164に出力可能に接続されている。目標値設定器163は、目標とする電圧目標値が設定可能とされ、必要に応じて比較回路164に電圧目標値を出力可能に接続されている。比較回路164は、加算器165で加算した値から目標値設定器163で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力を電圧制御回路167に出力し、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力を電圧制御回路167に出力可能に接続されている。参照電圧器166は参照電圧を電圧制御回路167に出力可能に接続されている。電圧制御回路167は、参照電圧器166の参照電圧を参照して、比較回路164から出力されたプラス出力又はマイナス出力をスイッチングレギュレータ110に出力可能に接続されている。
なお、正常に制御していればフィルタ161の出力とフィルタ162の出力は同値なので、片方を省略しても良い。また、第1PWM信号変換器107から出力された正方向のPWM信号および逆方向のPWM信号を合成してフィルタ161によって平均化する代わりに、正方向のPWM信号をフィルタで平均化し、逆方向のPWM信号を別のフィルタで平均化しあと加算し、フィルタ161を省略する方法を採用しても良い。
また、第1実施形態で説明した図11に示した回生回路118に代えて、図12に示した回生回路118に変更してもよい。
また、電源装置101に、第1フルブリッジ回路103又は第2フルブリッジ回路104に電流が偏って流れる偏流現象を防止することができる機構を更に追加した構成にすることも可能である。
第1実施形態に係る電源装置101がバイポーラタイプ、即ち超電導コイル2に流れる電流が2aから2bと2bから2aとのいずれでも流れるタイプであるの対して、図20に示す第2実施形態に係る電源装置201は、ユニポーラタイプ、即ち超電導コイル2に流れる電流が2aから2b方向にのみ流れる構成をしている。
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々に変更して実施することができるものである。
例えば、第1実施形態では、スイッチング手段として、フルブリッジ回路である第1フルブリッジ回路103及び第2フルブリッジ回路104を使用している。しかし、これに限らず、図21に示すように、ハーフブリッジ回路である第1ハーフブリッジ回路603及び第2ハーフブリッジ回路604を使用した構成にしてもよい。この場合、図22に示すように、第1ハーフブリッジ回路603は、スイッチング素子621素子及びスイッチング素子622の2つのスイッチング素子から構成されている。同様に、第2ハーフブリッジ回路604もスイッチング素子631素子及びスイッチング素子632の2つのスイッチング素子から構成されている。また、直流電源手段にはプラス・マイナス電源が必要で、スイッチングレギュレータ110及びスイッチングレギュレータ610の2段構えの構成としている。そして、スイッチングレギュレータ110とスイッチングレギュレータ610の中点(図ではGND)に超電導コイル2を接続する。
また、第1実施形態では、図2及び図3に示したように、電源装置101を2組のフルブリッジ回路(第1フルブリッジ回路103及び第2フルブリッジ回路104)で構成する例で説明したが、フルブリッジ回路は3組、4組やそれ以上、たとえば8組構成としても良い。もっとも、フルブリッジ回路の構成数が多い方がスイッチングノイズは減少するが、回路構成の複雑化する。また、第1実施形態では、1つのフルブリッジ回路(例えば、第1フルブリッジ回路103)に4つのスイッチング素子21〜24を使用しているが、これに限らず、2つのスイッチング素子を並列で使用して合計8つのスイッチング素子でフルブリッジ回路を構成してもよい。
また、第1実施形態ではスイッチング素子21〜24のON・OFFをスイッチング制御するために図15で示したPWM信号を使用している。スイッチング素子21とスイッチング素子24は同じPWM信号でON/OFFし、スイッチング素子22とスイッチング素子23はOFFのままとなっている。しかしながら、これに限らず、図15のようなPWM信号以外に種々のものが実現できる。図16(a)、図16(b)、図16(c)はその変形例である。
図16(a)では、スイッチング素子21に対するPWM信号とスイッチング素子22に対するPWM信号とは補完関係にあり、スイッチング素子23に対するPWM信号とスイッチング素子24に対するPWM信号とも補完関係にある。
また、図16(b)では、スイッチング素子21に対するPWM信号とスイッチング素子22に対するPWM信号とは補完関係にあり、スイッチング素子23に対するPWM信号とスイッチング素子24に対するPWM信号とも補完関係にあるが、スイッチング素子21に対するPWM信号とスイッチング素子24に対するPWM信号とは異なる信号である。
また、図16(c)では、スイッチング素子21に対するPWM信号とスイッチング素子22に対するPWM信号とは補完関係にあり、スイッチング素子23に対するPWM信号とスイッチング素子24に対するPWM信号とも補完関係にあるが、スイッチング素子21に対するPWM信号とスイッチング素子22に対するPWM信号とはそれぞれデューティ比50%で位相差を持っている。
また、図23に示すように、超電導コイル2の2a端、2b端をそれぞれスイッチングレギュレータ110のマイナス側にコンデンサ541・542を挿入し交流的に接地するのもよい。このコンデンサ541・542は図23のように平滑コンデンサ41・42と併用するのも良いが、設計次第では平滑コンデンサ41・42を廃止してコンデンサ541・542のみでもよい。なお、接地はスイッチングレギュレータ110のプラス側でも良い。このコンデンサ541・542によれば超電導コイル2の2a端、2b端に乗る同相ノイズを吸収できる。同相の電圧ノイズが超電導コイル2に乗ると、超電導コイル2に大きな静電容量が地面との間にある場合には、電流リプルが発生することがあるため、これを除去できる。
21〜24・31〜34 スイッチング素子
41・42 平滑コンデンサ
50 交流電源
51 直流電源手段
52 第1スイッチング手段
53 第2スイッチング手段
54 スイッチング制御手段
101 電源装置
103 第1フルブリッジ回路
104 第2フルブリッジ回路
105 第1ドライバー部
106 第2ドライバー部
107 第1PWM信号変換器
108 第2PWM信号変換器
109 パルス生成器
110 スイッチングレギュレータ
111 電流検出器
112 電流制御回路
118 回生回路
121・123 第1リアクトル
122・124 第2リアクトル
170 目標値設定器
Claims (9)
- 超電導コイルの電源装置であって、
交流電力を直流電力に変換する直流電源手段と、
スイッチング信号に基づいて前記直流電力を出力許可と出力禁止とにスイッチングすることにより交流状のスイッチング電力とするスイッチング部を前記直流電源手段に複数並列接続したスイッチング手段と、
前記各スイッチング部から出力された前記スイッチング電力を平滑化することにより一定電圧の平滑化電力にして前記超電導コイルに出力する平滑手段と、
前記各スイッチング部に対して、所定の周波数で前記スイッチング信号をそれぞれ出力することにより所定の前記平滑化電力を形成すると共に、少なくとも一つの前記スイッチング信号を他のスイッチング信号に対して位相差を持たせて出力するスイッチング制御手段と、
を備え、
前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に回生手段を更に設け、
前記回生手段は、
回生用スイッチング素子と、
前記回生用スイッチング素子に直列接続された抵抗器と、
前記直流電源手段の電圧を検出する直流電源電圧検出器と、
閾値を設定する閾値設定器と、
前記直流電源電圧検出器で検出した電圧値と前記閾値設定器で設定した閾値との差分の値を出力する回生制御手段と、
基本となるパルス信号を発生させる基本パルス生成器と、
前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記回生制御手段が出力した値を減算して、マイナスの値であれば前記回生用スイッチング素子をオンに、プラスの値であれば前記回生用スイッチング素子をオフにスイッチングする信号に変換する回生用スイッチング素子制御回路と、
を備えていることを特徴とする超電導コイルの電源装置。 - 前記スイッチング手段のスイッチング部は、
第1スイッチング素子、第2スイッチング素子、第3スイッチング素子、及び、第4スイッチング素子を具備し、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とが接続され、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続されており、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第3スイッチング素子と第4スイッチング素子とが接続され、第3スイッチング素子と第4スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続されるフルブリッジ回路であり、
前記平滑手段は、
前記第1スイッチング素子と前記第2スイッチング素子との間と前記超電導コイルとの間に接続した第1リアクトルを接続と、前記第3スイッチング素子と前記第4スイッチング素子との間に接続した第2リアクトルと、
前記第1リアクトルと前記超電導コイルとの間を一端とし、前記第2リアクトルと前記超電導コイルとの間を他端として接続した平滑コンデンサであり、
前記スイッチング制御手段は、
前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、
目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、
前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、
位相差を付けたパルス信号を複数発生させる基本パルス生成器と、
前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であれば出力許可のオンに、プラスの値であれば出力禁止のオフに前記第1〜第4スイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号としてのPWM信号に変換する、各フルブリッジ回路に対応する複数の信号変換器であることを特徴とする請求項1に記載の超電導コイルの電源装置。 - 前記スイッチング手段のスイッチング部は、
第1スイッチング素子、第1ダイオード、第2ダイオード、及び、第2スイッチング素子を具備し、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第1スイッチング素子と第1ダイオードとが接続され、第1スイッチング素子と第1ダイオードとの間から前記超電導コイルに接続されており、前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に第2ダイオードと第2スイッチング素子とが接続され、第2ダイオードと第2スイッチング素子との間から前記超電導コイルに接続される混合ブリッジ回路であり、
前記平滑手段は、
前記第1スイッチング素子と前記第1ダイオードとの間と前記超電導コイルとの間に接続された第1リアクトルと、前記第第2ダイオードと前記第2スイッチング素子との間に接続された第2リアクトルと、
前記第1リアクトルと前記超電導コイルとの間を一端とし、前記第2リアクトルと前記超電導コイルとの間を他端として接続された平滑コンデンサであり、
前記スイッチング制御手段は、
前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、
目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、
前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、
位相差を付けたパルス信号を複数発生させる基本パルス生成器と、
前記基本パルス生成器が発生させたパルス信号を積分した値から前記電流制御回路が出力した値を減算して、マイナスの値であれば出力許可のオンに、プラスの値であれば出力禁止のオフに前記第1〜第2スイッチング素子をスイッチングするスイッチング信号としてのPWM信号に変換する、各混合ブリッジ回路に対応する複数の信号変換器であることを特徴とする請求項1に記載の超電導コイルの電源装置。 - 前記直流電源手段の電圧をコントロールする電圧制御手段を備えたことを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。
- 前記電圧制御手段は、
前記超電導コイルの電圧を検出する電圧検出部と、
前記電圧検出部で検出した電圧値を絶対値化する絶対値化部と、
前記絶対値化部で絶対値化された値に所定値を加算する電圧制御部と、
を備えていることを特徴とする請求項4に記載の超電導コイルの電源装置。 - 前記電圧制御手段は、
前記超電導コイルのリアクタンスの値を記憶する記憶部と、
電流増減速度が設定される設定器と、
前記記憶部に記憶されたリアクタンスの値に前記設定器で設定された電流増減速度を乗算して電圧値を算出する電圧演算器と、
前記電圧演算器で算出した電圧値を絶対値化する絶対値化部と、
前記絶対値化部で絶対値化された値に所定値を加算する電圧制御部と、
を備えていることを特徴とする請求項4に記載の超電導コイルの電源装置。 - 前記電圧制御手段は、
前記スイッチング制御手段が出力した各パルス信号をフィルタで平均化した値を加算する加算器と、
目標とする電圧目標値を設定する目標値設定器と、
前記加算器で加算した値から前記目標設定器で設定した電圧目標値を減算し、マイナスであれば差分の値に相当するプラス出力をし、プラスであれば差分の値に相当するマイナス出力をする比較制御器と、
を備えていることを特徴とする請求項4に記載の超電導コイルの電源装置。 - 前記直流電源手段のプラス側とマイナス側との間に回生手段を更に設け、
前記回生手段は、
トランジスタと、
前記トランジスタに直列接続された抵抗器と、
前記直流電源手段の電圧を検出する直流電源電圧検出器と、
閾値を設定する閾値設定器と、
前記直流電源電圧検出器で検出した値が前記閾値設定器で設定した前記閾値を上回った場合に、前記トランジスタを導通させて前記抵抗器に電流を導通させるコンパレータと、
を備えていることを特徴とする請求項1〜7の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。 - 前記超電導コイルに流れる電流値を検出する電流検出器と、
目標とする電流値を設定して、設定した電流値に移行するように指令する電流指令値を出力する目標値設定器と、
前記電流検出器が検出した電流値と前記目標値設定器が出力した電流指令値との差分の値を出力する電流制御回路と、
各スイッチング部に対応しており、各スイッチング部に流れる電流値を検出するブリッジ電流検出器と、
各ブリッジ電流検出器で検出した電流値の平均値を算出する平均値算出器と、
各スイッチング部に対応しており、各ブリッジ電流検出器で検出した電流値から前記平均値算出器で算出した平均値を減算して、その値を出力する比較器と、
各スイッチング部に対応しており、前記比較器から出力された値がプラスであれば、前記電流制御回路から出力された値を減少させる補正をし、前記比較器から出力された値がマイナスであれば、前記電流制御回路から出力された値を増加させる補正をする補正手段と、
を備えていることを特徴とする請求項1〜8の何れかに記載の超電導コイルの電源装置。
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